山东石墨矿地质特征和成矿区带划分

颜玲亚，高树学，刘海泉，孙即秀，周 雯

(中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队，山东 济南 250100)

山东石墨矿资源较为丰富，因石墨鳞片大、宜采宜选，成为我国石墨矿重要开发基地。山东石墨矿床的研究工作始于20世纪60年代，首先在区域地质调查过程中开展了基础研究工作；80年代，兰心俨[1]、王克勤[2]以南墅石墨矿为例，对山东前寒武纪石墨建造的特征和石墨矿床的成因进行了详细的研究，提出区域变质作用是石墨矿床的主要成矿作用；2000年以来，颜玲亚等[3]、孟辉[4]分别开展了刘戈庄典型石墨矿成矿要素及地球化学特征研究，提出了刘戈庄成矿模式及物质来源；中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队开展了山东省资源潜力评价[5]；孔庆友等[6]、于学峰等[7]、倪振平等[8]，开展了包括石墨在内的山东矿床成矿系列及成矿规律研究，形成了丰富的研究成果。本文在全面分析山东石墨矿勘查成果的基础上，结合前人研究成果，分析了石墨成矿地质条件，重新划分了石墨成矿区带，以期对山东省矿床成矿区带划分提供参考，为开发利用提供依据。

1 石墨矿资源概况

1.1 资源特征

截至2018年，全国保有晶质石墨矿158处，资源储量(矿物量)3.68亿t[9]。山东石墨矿均为晶质石墨矿，矿产地33处，保有资源储量(矿物量)1 770.20万 t，查明资源储量(矿物量 )2 083.02万t，其中保有矿产地22处[10]，资源储量(矿物量)1 618.78万t，全国占比4.40%，位居全国第5位；另有未统计在储量表内的晶质石墨矿11处，资源储量(矿物量)151.42万t。按规模划分，大型7个，占比21%；中型9个，占比27%；小型17个，占52%。山东石墨矿床数量分布以平度最多，为18处，其余分布在莱西、莱阳、牟平、海阳等地，在威海田村、蓉城泊于、乳山午极、海阳晶山—牧牛山等地，也有晶质石墨矿点分布。具有工业意义的矿床大都分布在平度和莱西境内，两地区合计查明晶质石墨资源储量(矿物量)占总量的94.66%(图1)。

图1 山东查明石墨矿物量占比分布

1.2 矿床类型

我国石墨矿成因类型为区域变质型、接触变质型和岩浆同化混染型[11]，山东石墨矿床成因类型全部为区域变质型，工业类型为晶质石墨矿。

1.3 质量特征

全国晶质石墨矿各矿石中固定碳含量2.34%～34.55%，平均7.4%±[11]。山东石墨矿固定碳含量处于中等，通过统计山东省33个石墨矿资源量及固定碳含量数据，山东石墨矿固定碳平均含量为3.76%。最高的为鲁中的莱芜独路石墨矿，为9.91%，其次是鲁中的章丘下射垛石墨矿，为4.78%。胶东地区石墨矿固定碳含量低于鲁中地区(图2)，但石墨鳞片片径大。如莱西南墅石墨矿鳞片大小6～0.01mm，主要在0.4～0.1mm；平度刘戈庄石墨矿石墨片径一般0.2～ 0.5mm、0.5～ 1.0mm；鲁中地区石墨矿虽然固定碳含量高，但石墨鳞片较小，均在100目(0.147mm)以下，如章丘下射垛石墨矿石墨片径一般0.1～0.005mm，莱芜市独路石墨矿石墨片径一般为0.01～ 0.02mm。

图2 山东自西向东各地区石墨固定碳平均含量变化趋势

由图2可以看出，除莱芜地区石墨固定碳含量较高以外，胶东地区自西向东固定碳含量变化不大，但从矿床规模看，大型矿床全部分布在平度、莱西地区，莱阳、海阳、牟平、威海等地均为中小型石墨矿，从已有大型石墨矿床分布特征看，胶东地区自西向北东，成矿强度逐步变弱。石墨鳞片除鲁西地区石墨片径较小以外，胶东地区石墨矿鳞片普遍较大。

1.4 重要矿集区

根据石墨矿分布的地理位置、赋存层位、成矿时代及查明的石墨资源储量分布特征，将山东石墨矿划分为3个矿集区(表1)，矿集区累计查明石墨(矿物)资源量储量1 969.45万t，占已查明资源储量的95%。其中平度刘戈庄石墨矿集区查明石墨矿床14处，莱西南墅石墨矿集区查明石墨矿床4处，平度云山石墨矿集区查明石墨矿床4处。由于石墨矿均赋存于荆山群陡崖组徐村段，普遍变质程度较高，3个石墨矿集区均属于大鳞片产出率较高的石墨矿。

2 成矿地质背景

2.1 大地构造位置

山东石墨矿大地构造位置主要位于华北板块(Ⅰ)胶辽隆起区(Ⅱ)胶北隆起(Ⅲ)，占查明资源储量的95.37%。在胶莱盆地(Ⅲ)西北部分布有莱阳大粱子口和山前夼两处石墨矿；在苏鲁造山带(Ⅰ)胶南—威海隆起区(Ⅱ)威海隆起(Ⅲ)分布有威海小石岛、文登冢子庄及文登市臧格庄等小型石墨矿；另外在华北板块(Ⅰ)鲁西隆起区(Ⅱ)鲁中隆起(Ⅲ)分布有莱芜市莱城区独路石墨矿、章丘市下射垛石墨矿2处小型石墨矿。大中型且具有工业意义的石墨矿主要分布在胶北隆起(表2)。

表1 山东石墨矿集区一览

2.2 赋矿地质体

山东石墨矿成矿地质体以沂沭断裂带为界，以东(胶东地区)石墨矿赋存于古元古代荆山群陡崖组徐村段、禄戈庄组安吉村片岩段；沂沭断裂带以西(鲁中地区)石墨矿赋存于新太古代泰山岩群雁翔关组。

与石墨矿成矿密切相关的地质体为陡崖组徐村段石墨变粒岩—透辉大理岩组合，岩性由石墨片麻岩、石墨变粒岩、透辉岩、透闪岩、斜长角闪岩和大理岩等组成，含晶质石墨的变质岩石主要为斜长片麻岩(约占矿石总量的70%～80%)，其次为透闪透辉岩(约占矿石总量的10%～20%)，少数为大理岩型石墨矿。胶东地区石墨矿体的产出与大理岩密切相关，大理岩多作为矿体的顶、底板或夹层出现，围岩中的大理岩具有石墨矿化现象，如莱西南墅，牟平徐村、平度境内的石墨矿床等，荆山群大理岩可作为区域上的找矿标志。

鲁中地区石墨矿床产于泰山岩群雁翔关组地层中，石墨矿石类型为含石墨斜长角闪岩(章丘下射垛石墨矿)、含石墨黑云变粒岩[13](莱芜独路石墨矿)，其围岩均为斜长角闪岩。

2.3 成矿环境

在胶东地区石墨矿成矿环境主要为古元古代鲁东裂谷盆地环境，出现了大量滨—浅海相复理石沉积(荆山群、粉子山群)和部分高成熟度滨海碎屑岩沉积(芝罘群)。其原岩主要为一套正常浅海相的泥质岩、碎屑岩、碳酸盐岩及钙镁硅酸盐岩。三个不同的沉积旋回形成了三组岩性组合，即禄格庄组、野头组、陡崖组，主要岩性为石榴矽线黑云片岩、大理岩、透辉岩、石墨片麻岩、长石石英岩、黑云变粒岩、麻粒岩等，具孔兹岩系岩石组合特点。其中，禄格庄组主要为长英质变粒变岩类；野头组主要为斜长角闪岩、透辉岩、透闪岩、大理岩；陡崖组主要为含石墨岩系和高铝片岩的岩石组合，沿横向和纵向延伸稳定，说明该组沉积时地壳处于稳定状态，其中石墨的出现表征着该地区第一次出现大规模有机质成分，其原岩主要为一套含碳质的碎屑岩及粘土岩，也反映了一种浅海相的沉积环境。根据孟辉[4]对刘戈庄石墨矿δ13CPDB/‰测试结果及王克勤[2]对南墅石墨同位素测定结果(表3)，山东石墨矿碳质来源为有机质。

表3 山东石墨矿δ13CPDB/‰测试结果统计

2.4 构造控矿

山东石墨矿的形成与基底褶皱构造关系密切，均受控于区域上大型褶皱构造。如在平度地区，仓村—吉林大型复式背斜呈北东向控制着张舍、东石岭、西石岭、田庄、矫戈庄等石墨矿的产出，刘戈庄石墨矿产于刘戈庄—田庄向斜[12](图3)。褶皱构造对石墨矿体的形态和品位有一定影响，石墨矿体主要分布在背斜构造的两翼或向斜构造的核部。产于背斜构造翼部的石墨矿层(体)规模大，保存好，形态简单；产于褶皱转折端处的石墨矿层(体)宽大，呈鞍状，但断层发育，形态复杂。褶皱构造倾伏端、转折部位，石墨矿品位较富。大型矿床多发育在褶皱的转折端。断裂构造多对石墨矿床多具破坏作用，但早期的断裂为热液运移的通道，在一定程度上对石墨成矿也起到促进作用。

2.5 变质作用

图3 平度地区褶皱构造与石墨矿分布图

山东石墨矿主要分布在胶北陆缘活动带，属于胶北高级变质区，成矿作用与古元古代裂谷型区域动力热流(核部)变质作用密切相关，变质相为角闪岩相—麻粒岩相。一些大、中型石墨矿几乎全部产于麻粒岩相条件下形成的含矿变质沉积建造中。变质作用与石墨矿的形成密切相关，变质程度越高，变质岩石中石墨晶片越大。据山东省地矿局第四地质队对南墅石墨矿田的变质相进行多组矿物对温、压估测认为，南墅地区主期变质温度为760～875°，压力在0.5GPa左右，地热梯度为41～46℃/km，属低压相系麻粒岩相，从而使得原岩中的碳质在更有利的环境中结晶成晶片大的晶质石墨矿床。在同一地层单位的非麻粒岩相发育区，如牟平徐家、海阳郭城、莱阳荆山等地的角闪岩相变质级发育区，形成的石墨矿规模小，石墨片度较小。再如发育在胶北隆起北部福山巨屯和东厅、蓬莱疃顶、莱州粉子山等地的粉子山群巨屯组，也是一套含石墨变质岩系，为石墨(黑云)片岩、黑云片岩、石墨大理岩为主夹(石墨)黑云变粒岩、石墨透闪岩的岩石组合。尽管这套含石墨变质岩系中固定碳含量达5%～8%(高者达10%)，普遍高于荆山群陡崖组徐村段变粒岩—片麻岩相含石墨变质岩系中的固定碳含量(一般3%～5%)，因变质程度低，其石墨结晶程度差，石墨片径0.03～0.1mm，鳞片细小，不能形成工业矿床。粉子山群巨屯组不是没有形成成矿的物质基础，变质相仅达到低角闪岩相，远不能满足优质鳞片石墨矿结晶的温压条件。

山东晶质石墨矿普遍发生了混合岩化作用，混合岩化作用对区域变质作用阶段形成晶质石墨矿石进行了一定的改造，主要表现为混合岩化的重结晶作用，使含片麻理矿石中石墨鳞片片径加大(粗大)；混合岩化的重熔作用，使部分碳质迁移，形成石墨脉(脉内石墨鳞片片径较大)；重熔作用产生的长英质脉体注入石墨片麻岩之片麻理中，引起近脉壁两旁石墨鳞片粗化，同时长英质脉体注入使得石墨品位降低。

3 时空分布特征

3.1 空间分布特征

(1)山东石墨矿主要赋存于古元古代荆山群。荆山群主要分布于胶北地区的莱阳荆山、施旗山、莱西南墅、平度祝沟、明材、海阳晶山、牟平祥山及昌邑岞山和安丘赵戈庄等地，在威海—乳山—胶南—日照一带多小包体形式产出于青白口纪二长花岗质片麻岩中。荆山群总体呈北北东向的带状展布，主要岩性为高铝片岩、变粒岩、大理岩、含石墨岩系、片麻岩、透辉岩等岩石组合，遭受了比较强烈的变质作用，达角闪岩相—麻粒岩相。厚1 977～2 856m，出露总面积约1 405km2，自下而上分为禄格庄组、野头组和陡崖组，其中陡崖组是石墨矿主要赋矿层位。

(2)鲁中地区石墨矿主要分布于新太古代泰山岩群，大地构造位于鲁西隆起区(Ⅱ)鲁中隆起(Ⅲ)泰山—济南断隆(Ⅳ)泰山凸起(Ⅴ)，受新太古代TTG岩系的侵入以及区域变质作用，呈北西、北北西向条带状、包体状分布。石墨矿主要分布于鲁中地区的济南市莱芜、章丘等地。

3.2 成矿时代

山东石墨矿成矿时代主要集中在古元古代，占查明资源储量的98.93%。新太古代占1.07%。具有工业意义的石墨矿全部形成于古元古代。根据孟辉[4]对胶东地区刘戈庄石墨矿通过锆石U－Pb测年数据可知，石墨变质岩系原岩沉积时代年龄约为2230±20Ma，形成时代在古元古代早期。古元古代形成的石墨矿主要分布在沂沭断裂带以东的胶东地区，新太古代形成的石墨矿分布在沂沭断裂带以西的鲁中地区。

3.3 成矿层位

山东石墨矿主要赋存沂沭断裂带以东的古元古代荆山群陡崖组徐村段，占查明资源储量的98.52%，荆山群禄戈庄组安吉村片岩段仅占0.41%，石墨矿的形成具有明显的层控性，山东莱西南墅石墨矿、平度刘戈庄、矫戈庄、张舍石墨矿、莱阳大梁子口和山前夼石墨、海阳郭成等石墨矿均赋存于该层位中。沂沭断裂带以西(鲁中地区)石墨矿赋存于新太古代泰山岩群雁翔关组仅占查明资源储量的1.07%。泰山岩群雁翎关组分布于泰山凸起区(Ⅳ)南部边缘，呈北北西向条带状展布，片麻理发育，岩性主要为角闪片岩、斜长角闪岩夹黑云变粒岩、磁铁石英岩、石墨变粒岩，为一套基性火山岩夹砂泥质建造。鲁中地区的莱芜独路石墨矿、章丘下射垛石墨矿赋存于该层位中(表4)。由于变质程度低，形成的石墨鳞片较小，目前尚未开发利用。

表4 山东石墨矿赋矿层位

4 成矿模式

4.1 胶东地区石墨矿成矿模式

古元古代(2 500～1 800Ma)早期，华北陆块经历了一次基底陆块的拉伸—破裂事件，产生了胶辽裂陷盆地，在其中胶北海盆内发育了一套半稳定—较稳定构造环境下的滨、浅海相沉积建造(荆山群和粉子山群)，原岩主要为含碳粘土岩—碎屑岩—碳酸盐岩建造。荆山群位于沉积盆地中心、粉子山群位于盆地边缘。古元古代晚期，裂陷、盆地闭合，地层发生强烈变形，荆山群发生了中高级区域变质作用，变质程度达到了角闪岩相—麻粒岩相，原岩中的有机质进一步发生分解反应，形成了晶质石墨矿，主要岩性为石榴矽线黑云片岩、大理岩、透辉岩、石墨片麻岩、长石石英岩、黑云变粒岩、麻粒岩等等典型的孔兹岩系岩石组合。胶东地区石墨矿成矿模式见图4。

图4 胶东地区石墨矿成矿模式

粉子山群总体分布于荆山群的南北两侧，变质程度为高绿片岩相—低角闪岩相。主要岩性为大理岩、黑云变粒岩、透闪岩、石墨透闪岩、浅粒岩、斜长角闪岩、磁铁石英岩、矽线黑云片岩等。粉子山群形成于滨海相至浅海相的大陆边缘构造环境。主要形成菱镁矿、滑石、石英岩等矿床。粉子山群和荆山群都含有有机质，粉子山群未经受高级变质作用，原岩中的有机质未充分发生分解反应，形成的石墨矿鳞片较小，未形成具有工业意义的石墨矿床。

4.2 鲁中地区石墨矿成矿模式

鲁中地区的石墨矿赋存于新太古代泰山岩群雁翎关组地层中。泰山岩群形成于2 850Ma之前，在大于2 850Ma期间，鲁西地块处于拉张状态，发生类似如裂谷作用的断裂，形成面积广泛的海盆地，并沉积了含有相当数量有机物的泥砂质建造，在区域变质作用过程中，岩石均达到角闪岩相，岩石中的有机物遭受一系列的分解反应，导致晶质石墨的产生。典型矿床代表为莱芜独路石墨矿和章丘下射垛石墨矿。

5 成矿区带划分

据倪振平等[8]，山东省Ⅳ级成矿区带共划为13个区带，其中4个Ⅳ级成矿区带与石墨矿有关，分别为胶西北Au-Fe-Mo-石墨-滑石-菱镁矿成矿亚带(Ⅲ-65-①)、胶莱盆地萤石-重晶石-膨润土成矿亚带(Ⅲ-65-②)、威海－文登Au-Ag-Mo-PbZn-Cu成矿亚带(Ⅲ-67-①)、鲁中地区煤-Fe-Al-Au-建材、非金属成矿亚带(Ⅲ-64－②；在Ⅳ成矿带中共划分了5个石墨V级成矿带，分别为南墅石墨-Au成矿区(Ⅴ65-1-7)、平度石墨成矿区Ⅴ65-1-8)、新河—饮马Fe-Au-石墨成矿区(Ⅴ65-1-9)、莱山Au-Mo-Cu-石墨成矿区(Ⅴ65-1-3)、胶南七宝山Pb-Cu-Au-萤石-石墨。根据本次研究成果，V级成矿带进行了调整，由于新河—饮马石墨成矿区(Ⅴ65-1-9)和胶南七宝山Pb-Cu-Au-萤石-石墨(Ⅴ67-2-1)成矿区至今未发现具有工业意义的石墨矿床，可作为成矿潜力区，不能作为V级成矿带。本次共划分了6个石墨V级成矿带(图5、表5)，分别为南墅石墨-Au成矿区(Ⅴ65-1-7)、平度石墨成矿区(Ⅴ65-1-8)、莱山Au-Mo-Cu-石墨成矿区(Ⅴ65-1-3)、莱阳膨润土-石墨成矿区(Ⅴ65-2-2)、牟平-乳山Au-Cu-Mo-Fe-石墨成矿区(Ⅴ67-1-2)、新泰—大汶口成矿区Fe、石墨(Ⅴ64-2-12)，呈北北东向分布于胶西北地区的平度—莱西—莱阳—海阳—牟平一文登一带，石墨矿主要分布在南墅成矿区(Ⅴ65-1-7)和平度石墨成矿区(Ⅴ65-1-8)。

6 结论

(1)山东石墨矿资源较为丰富，较集中分布于胶西北地区，因石墨鳞片大、宜采宜选，成为我国石墨矿重要生产加工基地。其中平度是我国重要的国家石墨规划矿区。

(2)山东石墨矿成因类型为区域变质型，主要形成于古元古代，占查明资源储量的98.93%。具有工业意义的晶质石墨矿主要赋矿层位为古元古代荆山群陡崖组徐村段(胶东地区)，其次是新太古代泰山岩群雁翎关组(鲁中地区)。

图5 山东石墨矿Ⅴ级成矿区带划分图

表5 山东石墨矿成矿区带

(3)山东石墨矿床是古元古—新太古代含碳质粘土岩—碎屑岩—碳酸盐岩(孔兹岩系)，经角闪岩相—麻粒岩相的中高级区域变质作用，形成晶质石墨矿。后期的混合岩化作用，使得区域变质阶段形成的石墨鳞片加大。石墨黑云斜长片麻岩、石墨透辉变粒岩、斜长角闪岩、大理岩组合是石墨矿重要找矿标志；区域性复式褶皱构造的翼部、次级褶皱构造的核部及转折端是石墨矿主要控矿构造。

(4)根据石墨矿成矿特征，共划分了南墅石墨-Au成矿区(Ⅴ65-1-7)、平度石墨成矿区(Ⅴ65-1-8)、莱山Au-Mo-Cu-石墨成矿区(Ⅴ65-1-3)等6个Ⅴ级石墨成矿带。

致谢：论文编写中，得到了中国建筑材料工业地质勘查中心陈正国总工程师的悉心指导，提出了许多宝贵的意见和建议，使自己获益和启发良多，在此表示衷心的感谢！